Verificando la rotación de un agujero negro supermasivo: brilla la teoría de la relatividad general de Einstein

Galaxia M87 Agujero negro Muestra un chorro oscilante, lo que confirma su rotación, como se concluye a partir de un estudio de dos décadas de duración que se alinea con las predicciones de la teoría general de la relatividad de Einstein.

La cercana radiogalaxia M87, situada a 55 millones de años luz de la Tierra y que contiene un agujero negro 6.500 millones de veces más grande que el Sol, muestra un flujo oscilante que oscila hacia arriba y hacia abajo con una amplitud de unos 10 grados, lo que confirma la existencia del agujero negro. agujero. envolturas.

El estudio, dirigido por el investigador chino Dr. Yuzhou Cui, fue publicado en naturaleza El 27 de septiembre fue realizado por un equipo internacional utilizando una red global de radiotelescopios.

Mediante un análisis exhaustivo de los datos del telescopio desde 2000 hasta 2022, el equipo de investigación reveló un ciclo recurrente de 11 años en la precesión de la base del jet, como predijo la teoría de la relatividad general de Einstein. El estudio vincula la dinámica del flujo con el agujero negro supermasivo central, proporcionando evidencia de que el agujero negro en M87 está girando.

Fenómenos de agujeros negros supermasivos

Los agujeros negros supermasivos en el centro de las galaxias activas, los cuerpos celestes más inestables de nuestro universo, pueden acumular enormes cantidades de materia debido a su extraordinaria fuerza gravitacional y su fuerza gravitacional. plasma Los chorros, conocidos como chorros, se acercan a la velocidad de la luz y se extienden a lo largo de miles de años luz.

El mecanismo de transferencia de energía entre los agujeros negros supermasivos y sus discos de acreción y chorros relativistas ha desconcertado a físicos y astrónomos durante más de un siglo. La teoría predominante sugiere que se podría extraer energía de un agujero negro en rotación, permitiendo que parte del material que rodea al agujero negro supermasivo sea expulsado con una energía significativa. Sin embargo, el giro de los agujeros negros supermasivos, un factor crucial en este proceso y el parámetro más importante además de la masa del agujero negro, no se ha observado directamente.

Panel superior: estructura del chorro M87 a 43 GHz según datos de apilamiento semestrales observados entre 2013 y 2018. Las flechas blancas indican el ángulo de posición del chorro en cada subgráfico. Panel inferior: resultados mejor ajustados basados ​​en la imagen apilada anualmente desde 2000 hasta 2022. Los puntos verde y azul se obtienen de observaciones a 22 GHz y 43 GHz, respectivamente. La línea roja representa el mejor ajuste según el modelo de iniciativa. Crédito: Yuzhou Cui et al., 2023

Centrarse en M87

En este estudio, el equipo de investigación se centró en M87, donde se observó el primer chorro astrofísico observacional en 1918. Gracias a su proximidad, las regiones de formación de chorros cercanas al agujero negro se pueden resolver en detalle mediante interferometría de línea de base muy larga (VLBI). También está representado por imágenes de la sombra del agujero negro moderno utilizando el Telescopio del Horizonte de Sucesos (EHT). Al analizar los datos del VLBI de M87 adquiridos durante los últimos 23 años, el equipo detectó chorros precursores periódicos en su base, lo que proporcionó información sobre el estado del agujero negro central.

Dinámica y relatividad de los agujeros negros

En el centro de este descubrimiento se encuentra la pregunta crucial: ¿Qué fuerza en el universo podría cambiar la dirección de un chorro tan poderoso? La respuesta podría estar oculta en el comportamiento del disco de acreción, una formación asociada al agujero negro supermasivo central.

A medida que el material que cae orbita el agujero negro debido a su momento angular, forma una estructura similar a un disco antes de girar gradualmente en espiral hacia adentro hasta ser arrastrado fatalmente hacia el agujero negro. Sin embargo, si un agujero negro está girando, ejerce una influencia significativa en el espacio-tiempo que lo rodea, haciendo que los objetos cercanos sean arrastrados a lo largo de su eje de rotación, un fenómeno conocido como «arrastre de marco», que fue predicho por la teoría general de la relatividad de Einstein. .

El análisis exhaustivo del equipo de investigación sugiere que el eje de rotación del disco de acreción se desvía del eje de rotación del agujero negro, lo que provoca un pre-chorro. La detección de este movimiento proporciona evidencia inequívoca de que el agujero negro supermasivo en M87 está efectivamente girando, mejorando nuestra comprensión de la naturaleza de los agujeros negros supermasivos.

«Estamos satisfechos con este importante resultado», afirmó Yuzhou Cui, investigador postdoctoral en el Laboratorio Zhejiang, una institución de investigación en Hangzhou, y autor principal del estudio. «Debido a que la desalineación entre el agujero negro y el disco es relativamente pequeña y el período de precesión es de aproximadamente 11 años, es necesaria una recopilación de datos de alta resolución que rastree la estructura de M87 durante dos décadas y un análisis exhaustivo para lograr este avance».

El Dr. Kazuhiro Hada, del Observatorio Astronómico Nacional de Japón, añadió: «Después de obtener imágenes exitosas del agujero negro en esta galaxia utilizando EHT, si este agujero negro está girando o no se ha convertido en una gran preocupación entre los científicos». «Ahora la anticipación se ha convertido en certeza. Este monstruoso agujero negro ya está girando».

Contribuciones e implicaciones futuras

Este trabajo hizo uso de un total de 170 épocas de observaciones adquiridas por la Red VLBI de Asia Oriental (EAVN), el Very Long Baseline Array (VLBA), el Conjunto Conjunto de KVN y VERA (KaVA) y el Global East Asia hasta Italia. (COMER) red. En total, más de 20 telescopios de todo el mundo contribuyeron a este estudio.

Los radiotelescopios de China también contribuyeron a este proyecto, incluido el radiotelescopio Tianma de China, de 65 metros, con su enorme plato y su alta sensibilidad a las longitudes de onda milimétricas. Además, un radiotelescopio de 26 metros en Xinjiang mejora la resolución angular de las observaciones de EAVN. Para lograr este logro son esenciales datos de alta calidad con alta sensibilidad y alta resolución angular.

«El radiotelescopio Shigatse de 40 metros en el Observatorio Astronómico de Shanghai mejorará la capacidad de obtención de imágenes milimétricas del EAVN. En particular, la meseta tibetana, donde está ubicado el telescopio, tiene una de las mejores condiciones para observaciones de longitudes de onda (submilimétricas). «, dijo el Prof. Zhiqiang Chen, Director del Observatorio Astronómico de Shanghai de la Academia de Ciencias de China, dijo que cumple con nuestras expectativas de mejorar las instalaciones nacionales para la observación astronómica.

Si bien este estudio arroja luz sobre el misterioso mundo de los agujeros negros supermasivos, también presenta enormes desafíos. La estructura del disco de acreción y el giro exacto del agujero negro supermasivo M87 aún son en gran medida inciertos. Este trabajo también predice que habrá más fuentes con esta configuración, lo que supone un desafío para los científicos a descubrir.

Referencia: “La boquilla de chorro que se conecta a un agujero negro giratorio en M87” por Yucho Kuei, Kazuhiro Hada, Tomohisa Kawashima, Motoki Kino, Weikang Lin, Yusuke Mizuno, Hyunwook Ru, Markei Honma, Kono Yi, Jintao Yu, Jongho Park, Wu Jiang, Zhiqiang Chen, Evgenia Kravchenko, Juan Carlos Algaba, Xiaoping Cheng, Eli Zhou, Gabriele Giovannini, Marcello Giroletti, Taehyun Jung, Ru Sin Lu, Kotaro Ninuma, Jungwan Oh, Ken Ohsuga, Satoko Sawada Satoh, Bong Won Son, Hiroyuki R .Takahashi, Meeko Takamura, Fumi Tazaki, Sasha Tripp, Kiyoaki Wajima, Kazunori Akiyama, Tao An, Keiichi Asada, Salvatore Botaccio, Do Young-byun, Lang Kui, Yoshiaki Hagiwara, Tomoya Hirota, Jeffrey Hodgson, Noriyuki Kawaguchi, Jae-Young Kim, Sang Song Lee, Ji-Won Lee, Jeong-Ee Lee, Giuseppe Maccaferri, Andrea Melis, Alexey Melnikov, Carlo Migoni, Si-Jin Oh, Koichiro Sugiyama, Xuezheng Wang, Yingkang Zhang, Zhong Chen, Jo-Yun Hwang, Dong-Kyu Jung, Heo-Ryung Kim, Jeong Suk Kim, Hideyuki Kobayashi, Bin Li, Guangwei Li, Xiaofei Li, Xiong Liu, Qinghui Liu, Xiang Liu, Chung Sik Oh, Tomoaki Aoyama, Duke Jiu Ruo, Jinqing Wang, Na Wang, Xiqiang Wang, Bo Xia, Hao Yan, Jae-hwan Yum, Yoshinori Yonekura, Jianping Yuan, Hua Zhang, Rongping Zhao y Yi Zhong, 27 de septiembre de 2023. naturaleza.
doi: 10.1038/s41586-023-06479-6